Из курса физики 9 класса известно, что электрический ток — это движение заряженных частиц. Опыты показывают, что при движении заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем. Рассмотрим особенности этого взаимодействия.
Если ток в рамке исчезнет, то и сила Ампера также уменьшится до нуля. А поскольку ток — это движение заряженных частиц, то можно предположить, что сила Ампера возникает при действии магнитного поля на заряженные частицы, и проводник здесь не обязателен.
Опыт полностью подтверждает это предположение. Если в вакууме создать поток заряженных частиц (как правило, электронов) и направить их через магнитное поле, то траектории движения перестанут быть прямыми. А при определенных соотношениях скоростей и силы магнитного поля траектории могут даже стать окружностями или спиралями.
Сила Ампера, действующая на проводник с током, возникает потому, что магнитное поле действует на заряды, движущиеся в проводнике. Этот механизм возникновения силы Ампера был открыт физиком Х. Лоренцем, и поэтому сила, действующая на движущийся заряд в магнитном поле, была названа его именем.
Можно спросить: определяет ли сила Лоренца закон Ампера? Ответ утвердителен: да, определяет.
Формулы силы Ампера и силы Лоренца
Поскольку сила Ампера — это результат действия силы Лоренца, то и формулы, описывающие эти силы, близки, единицы измерения одинаковы. Сила Ампера и сила Лоренца пропорциональны величине перпендикулярной составляющей индукции $B_perp=Bsinalpha$, следовательно, эта часть в обеих формулах будет общей. Кроме того, обе этих силы пропорциональны величине заряда и его скорости движения. То есть формула силы Лоренца примет вид:
$$F_L = qBv sin alpha$$
Формула силы Ампера будет аналогичной, место заряда займет величина тока $I$ (поскольку ток равен отношению заряда, проходящего по проводнику, ко времени прохождения), место скорости займет длина проводника $Δl$ (поскольку скорость равна отношению длины, которую прошел заряд, ко времени этого прохождения). В результате формула силы Ампера примет вид:
$$F_A = I B Δl sin alpha$$
Направление силы Ампера и силы Лоренца
В отличие от многих других сил, направление силы Лоренца (а значит, и силы Ампера) не совпадает с направлением движения носителя и не совпадает с направлением на источник магнитного поля. Для определения направления этих сил используется мнемоническое правило левой руки.
Если расположить левую руку так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали на направление движения положительных зарядов (направление тока), а магнитные линии входили в ладонь, «прокалывая» ее, то отставленный большой палец укажет направление действия силы Лоренца (или Ампера).
Например, если линии магнитного поля направлены сверху вниз, то руку надо располагать ладонью вверх. Теперь, если проводник с током направлен вперед и мы расположим четыре вытянутых пальца вперед, то отставленный большой палец укажет направление справа налево. Это и будет направление силы Ампера, действующей на данный проводник, или силы Лоренца, если двигаются заряды.
Что мы узнали?
На заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Поскольку электрический ток — это упорядоченное движение зарядов, то на проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера, которая представляет собой сумму сил Лоренца, действующих на движущиеся в проводнике заряды.
